雙極板又稱(chēng)集電板，其作用是為二氧化碳提供流通通道，避免電池氣室中二氧化碳與氫氣串通，并在電池負(fù)極與正極之間建立電流通路。系列。 雙極板是燃料電池的重要部件之一，其重量約占電堆的80%，成本約占24%。

燃料電池的雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊構(gòu)成電堆，在燃料電池中起著支撐、收集電壓和分配二氧化碳的重要作用。 近年來(lái)，隨著燃料電池汽車(chē)示范新政策的逐步加速，雙極板市場(chǎng)規(guī)模環(huán)比持續(xù)擴(kuò)大。

在燃料電池核心部件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，石墨雙極板是突破最快的核心部件之一。 國(guó)產(chǎn)石墨雙極板已具備優(yōu)異的性能和廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

雙極板原理

雙極板也稱(chēng)為集電板，其作用是為二氧化碳提供流動(dòng)通道，避免電池氣室中甲烷和二氧化碳的串通，并在電池負(fù)極和正極之間建立電流通路。系列。 雙極板是燃料電池的重要部件之一，其重量約占電堆的80%，成本約占24%。

在保持一定的機(jī)械硬度和良好的阻氣效果的前提下，雙極板的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能薄，以降低對(duì)電壓和熱量的傳導(dǎo)阻力。 目前，市場(chǎng)上氫燃料電池雙極板材料主要有石墨、金屬和復(fù)合材料三種。

石墨材料是最早開(kāi)發(fā)用于雙極板的材料。 其優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性強(qiáng)、耐用度高，但缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng)、抗壓性能差、成本高。 目前廣泛應(yīng)用于專(zhuān)用車(chē)和卡車(chē)。

金屬雙極板硬度高、韌性好，但具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和較高的功率密度。 它們可以很容易地加工成非常薄的雙極板（0.1-0.3mm）。 主要應(yīng)用于乘用車(chē)，如福特采用金屬雙極板，其燃料電池模塊功率密度達(dá)到3.1kW/L； 美國(guó)新一代-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度甚至達(dá)到5kW/L。

復(fù)合雙極板兼顧了石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高硬度，未來(lái)將向低成本方向發(fā)展。

目前國(guó)際市場(chǎng)上，歐美、俄羅斯的石墨、金屬雙極板總體實(shí)力較強(qiáng)，美國(guó)、英國(guó)的復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。 國(guó)外石墨雙極板已經(jīng)比較成熟，一些廠家生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，如北京宏豐實(shí)業(yè)、上海宏駿、淄博聯(lián)強(qiáng)等企業(yè)。 我國(guó)金屬及復(fù)合材料雙極板研究較晚，技術(shù)上仍有很大提升空間。 現(xiàn)階段國(guó)外金屬及復(fù)合雙極板相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)包括北京理工大學(xué)、愛(ài)德曼氫能、鑫源電力等。

雙極板湍流

湍流的基本作用是引導(dǎo)反應(yīng)氣體的流動(dòng)方向，保證反應(yīng)氣體均勻分布到電極的各個(gè)部位，同時(shí)及時(shí)排出電池運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)物。

常規(guī)湍流模式主要有：并聯(lián)直流場(chǎng)、單通道蛇形湍流、多通道蛇形湍流、叉指式湍流、網(wǎng)狀湍流、條狀湍流、螺旋湍流等。 flow 這兩種流方法都有其缺點(diǎn)。

平行直流場(chǎng)可以通過(guò)改變槽與脊的長(zhǎng)度比以及通道的寬度來(lái)改變流經(jīng)槽的反應(yīng)氣體的線(xiàn)速度，從而排出液態(tài)水。 平行流道的缺點(diǎn)是一個(gè)流道中的障礙物會(huì)導(dǎo)致剩余流道中的流體重新分布，為此存在阻塞死區(qū)，導(dǎo)致二氧化碳分布不均勻。 優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單、流體阻力小。 目前，許多煙囪空氣側(cè)都采用這些紊流，流體從歧管進(jìn)入并經(jīng)過(guò)紊流分配段，過(guò)渡為平行槽內(nèi)的紊流，并聯(lián)直流場(chǎng)如圖所示。

并聯(lián)直流場(chǎng)

變截面直通道內(nèi)的湍流是平行直流場(chǎng)中湍流的改進(jìn)，變截面直通道內(nèi)的湍流如右圖所示。 由于湍流截面的變化，二氧化碳沿流道的速度和方向都會(huì)發(fā)生變化，可以有效地促進(jìn)傳熱。 右圖a是圓形變截面流道。 通道槽的底部和頂部不平行，產(chǎn)生一定的傾斜角度。 仿真分析表明，與平行流道相比，這些變截面流道有利于降低電壓密度和最大功率密度。 右圖b中的流道內(nèi)部設(shè)計(jì)為具有起伏波浪結(jié)構(gòu)的紊流。 仿真分析表明，周期性變化的波結(jié)構(gòu)可以提高反應(yīng)二氧化碳的流量和催化劑的效率，并在高電壓密度下增加傳熱極。 改變。

變截面直通道內(nèi)的湍流 a) 圓形變截面流道 b) 波形變截面流道

蛇形紊流分為單通道和多通道結(jié)構(gòu)，蛇形紊流如右圖所示。 對(duì)于單通道蛇形流道，所有的二氧化碳都在一個(gè)流道中流動(dòng)，二氧化碳的流速很高，流道很長(zhǎng)。 壓力損失過(guò)大，雖然不利于反應(yīng)水的脫除，但也不利于電壓密度的均勻性和催化劑的使用。 而一旦單個(gè)流道被堵塞，將直接導(dǎo)致電池難以使用。 為了防止上述單蛇形湍流的缺點(diǎn)，多采用右圖b所示的多道蛇形流道。 多通道蛇形湍流兼有直流場(chǎng)和單蛇形湍流的優(yōu)點(diǎn)。 雖然單個(gè)通道被堵塞，但其他流通通道也會(huì)發(fā)揮作用。 同時(shí)同一活性區(qū)域采用多通道，有利于減少流道拐點(diǎn)，有效降低壓力損失，保證電池的均勻性。 二氧化碳排放的特點(diǎn)。 但由于流道過(guò)長(zhǎng)，二氧化碳的壓力損失較大，二氧化碳進(jìn)出口壓差較大，不利于催化劑的使用和電壓密度的均勻性。

蛇形湍流 a) 單通道蛇形流道 b) 多通道蛇形流道

蛇形流道是連續(xù)的，通過(guò)改變槽與脊的長(zhǎng)度比、通道數(shù)和槽的總寬度來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣流的線(xiàn)速度，以排出液態(tài)水。 優(yōu)點(diǎn)是可以強(qiáng)制流體流過(guò)流道，其實(shí)這需要有一定壓頭的空壓機(jī)作為保證； 缺點(diǎn)是流體阻力較大，在流道末端會(huì)形成極化損耗。

叉指式湍流從板片入口到板片出口的流道一般是不連續(xù)的，流道是死胡同，促使反應(yīng)物在壓力作用下穿過(guò)微孔反應(yīng)物層，到達(dá)與板片相連的流道上。歧管裝置。 交叉梳狀湍流配置可有效去除電極結(jié)構(gòu)中的水分，避免吞沒(méi)并提高性能； 缺點(diǎn)是電阻比較大，容易漏電，目前實(shí)際使用較少。

叉指型湍流

網(wǎng)狀湍流 網(wǎng)狀湍流一般是在流體入口和出口之間有規(guī)律地排列障礙物，使流體繞著障礙物之間的孔隙流動(dòng)。 這些設(shè)計(jì)更加靈活。 由于這些湍流中的流體速度較低，因此排水能力較差，但其補(bǔ)水能力較強(qiáng)。 FCV采用網(wǎng)格紊流設(shè)計(jì)，利用3D精細(xì)網(wǎng)格生成空氣和水循環(huán)通道。 與平行槽湍流相比，網(wǎng)絡(luò)湍流提高了二氧化碳擴(kuò)散到催化層的能力，增加了傳熱極化。 3D細(xì)網(wǎng)格湍流如圖2-26所示。 特點(diǎn)： 3D紊流可以使流體與催化層形成垂直，從而增強(qiáng)流體的傳熱； 但需要空氣壓縮機(jī)有較高的壓頭來(lái)克服流道內(nèi)流體的流動(dòng)阻力。 可以采用減小流道寬度的方法來(lái)減小阻力。

3D 細(xì)網(wǎng)格湍流

市場(chǎng)展望

2018-2020年，國(guó)外燃料電池雙極板市場(chǎng)規(guī)模分別為2.5萬(wàn)元、2.85萬(wàn)元、3.1萬(wàn)元，呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的狀態(tài)。 目前，氫燃料電池雙極板市場(chǎng)呈現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模小、技術(shù)路線(xiàn)多樣、參與者類(lèi)型多等特點(diǎn)。

雙極板具有分離活性二氧化碳、收集電壓、提供活性二氧化碳通道的功能。 雙極板的質(zhì)量直接決定電堆的輸出功率和使用壽命。 在氫燃料電池汽車(chē)的成本構(gòu)成中，氫燃料電池系統(tǒng)在整車(chē)中占比高達(dá)60%； 堆棧在系統(tǒng)中的成本占比超過(guò)50%； 電堆中雙極板的成本僅次于膜電極。

電堆成本高的主要原因一方面是國(guó)外核心零部件不成熟，只能依賴(lài)進(jìn)口，另一方面是市場(chǎng)還不成熟。 目前主要還是依靠國(guó)家的新政策。

國(guó)外雙極板研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)

華融科技

華融科技是與中國(guó)和深圳合資成立的公司，主要從事燃料電池用石墨雙極板的研發(fā)和生產(chǎn)。 2021年，公司將根據(jù)市場(chǎng)需求擴(kuò)大產(chǎn)能，一期項(xiàng)目將于8月底投產(chǎn)； 二期也已于月底完成前期檢查。 全年華融科技燃料電池用石墨雙極板（含水冷雙極板）出貨量約50萬(wàn)套，環(huán)比增長(zhǎng)300%。

華融科技目前擁有數(shù)百萬(wàn)片石墨雙極板的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。 隨著公司二期項(xiàng)目逐步投產(chǎn)，預(yù)計(jì)月產(chǎn)能將達(dá)到15萬(wàn)-20萬(wàn)套。 華融科技燃料電池石墨雙極板已成為公司各石墨產(chǎn)品項(xiàng)目中凈利潤(rùn)第二大的經(jīng)營(yíng)藍(lán)籌股。

上海公爵

上海杜克由漢和、杜克新材料三方共同組建，主要從事薄型復(fù)合石墨雙極板組件的生產(chǎn)和銷(xiāo)售。 截至目前，上海杜克已形成年產(chǎn)100萬(wàn)套薄型復(fù)合石墨雙極板組件的生產(chǎn)能力。 石墨雙極板生產(chǎn)線(xiàn)。

12月13日，上海杜克模壓復(fù)合石墨板新品發(fā)布會(huì)在高工氫電年會(huì)同期隆重舉行。 上海杜克模壓石墨復(fù)合板擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并擁有授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利。 該產(chǎn)品采用自合成樹(shù)脂膠，與增強(qiáng)材料和石墨蠕蟲(chóng)混合，滾壓形成預(yù)成型板，采用快速冷壓成型成型工藝，開(kāi)發(fā)出水場(chǎng)、空氣場(chǎng)粘接和粘接的配套粘接解決方案。密封。 控制力和成本可控的優(yōu)點(diǎn)。

鴻駿新能源

鴻駿新能源成立于2010年，早在2011年就開(kāi)始將石墨雙極板產(chǎn)品應(yīng)用于燃料電池汽車(chē)，現(xiàn)擁有湖南南潯和山東濰坊兩大生產(chǎn)基地，年產(chǎn)能200萬(wàn)片。 公司六年不斷的技術(shù)積累和強(qiáng)大的供貨能力，使鴻駿新能源在行業(yè)內(nèi)擁有非常廣泛的客戶(hù)群。 2021年示范新政推出，鴻駿新能源出貨量在80萬(wàn)片左右，環(huán)比下降40%。 其中，大客戶(hù)需求穩(wěn)步下降，小客戶(hù)數(shù)量也明顯減少。

在產(chǎn)品層面，鴻駿新能源的第三代石墨雙極板是目前市場(chǎng)的主力軍。 該產(chǎn)品通過(guò)浸漬工藝將石墨板的孔隙率降低95%以上，但其薄度會(huì)大幅增加電堆的體積和重量。 ，深受市場(chǎng)好評(píng)。 為不斷提高公司核心競(jìng)爭(zhēng)力，鴻駿新能源正在研發(fā)第四代石墨雙極板，目前已進(jìn)入小批量驗(yàn)證階段。 新一代石墨雙極板在材質(zhì)和性能上更優(yōu)、更穩(wěn)定，氣密性≤0.0，單面凹槽長(zhǎng)度可達(dá)0.5mm，凹槽深度0.2mm。

嘉宇炭素

嘉宇炭素成立于2008年，是華北地區(qū)最早從事石墨銷(xiāo)售、加工的配套廠家之一。 由于常年從事石墨制品的生產(chǎn)制造，公司擁有一批高級(jí)工程師。 從立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、方案、生產(chǎn)、測(cè)試??、售后服務(wù)，每個(gè)環(huán)節(jié)都配備了高水平的專(zhuān)業(yè)人才。 業(yè)內(nèi)有說(shuō)法稱(chēng)，嘉宇炭素在踏入石墨雙極板領(lǐng)域之初，就“站在了巨人的脖子上”。 2013年，公司憑借在石墨精加工領(lǐng)域的深厚背景，進(jìn)軍石墨雙極板市場(chǎng)。 經(jīng)過(guò)近10年的精耕細(xì)作，嘉宇炭素創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)出了薄型超細(xì)石墨雙極板，并將產(chǎn)能提高到年產(chǎn)80萬(wàn)-120萬(wàn)片。

嘉宇炭素目前生產(chǎn)的石墨雙極板，一側(cè)溝槽寬度為0.5mm，兩側(cè)寬度為0.8mm。 單組石墨雙極板的寬度要求為1.5mm。

廣州至臻

廣州智臻成立于2016年，是國(guó)外首家專(zhuān)注于氫燃料電池金屬雙極板研發(fā)和制造的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。 公司核心技術(shù)來(lái)自廣州交通大學(xué)。 經(jīng)過(guò)16年的潛心研究和創(chuàng)新，在板材構(gòu)型設(shè)計(jì)、超薄板精密成型與高速激光點(diǎn)焊、高性能復(fù)合納米涂層、一體化密封等方面擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 關(guān)鍵核心技術(shù)達(dá)到世界一流水平的金屬板材設(shè)計(jì)和制造能力。

截至目前，廣州智臻已累計(jì)研發(fā)出7代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金屬雙極板，掌握了“全工藝鏈集成”的關(guān)鍵自主核心技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了國(guó)外核心主機(jī)的規(guī)?；慨a(chǎn)工廠和堆棧企業(yè)供應(yīng)，成為國(guó)內(nèi)金屬板材技術(shù)實(shí)力的“責(zé)任”。 2021年3月，廣州智臻年產(chǎn)數(shù)千萬(wàn)片金屬板生產(chǎn)線(xiàn)在南通市投產(chǎn)。 這是目前全球最大的金屬板生產(chǎn)線(xiàn)，標(biāo)志著我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)從研發(fā)階段過(guò)渡。 進(jìn)入大規(guī)模示范應(yīng)用期。

2021年，北京智臻還推出了新型碳涂層金屬板產(chǎn)品。 極板成本增加40%-50%的同時(shí)，也將金屬極板燃料電池底盤(pán)的預(yù)期壽命延長(zhǎng)至2萬(wàn)小時(shí)以上。 這款金屬雙極板最大的突破在于采用了最新的碳涂層技術(shù)，可以有效提高極板的壽命并降低成本。 為降低成本奠定基礎(chǔ)。

三佳機(jī)械

三佳機(jī)械2005年成立于廣州，2007年與北京航天動(dòng)力研究院（811研究所）合作開(kāi)發(fā)氫燃料電池鈦合金單極板，成為國(guó)外最早涉足氫燃料電池鈦合金單極板的企業(yè)之一。燃料電池的金屬板。 經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)迭代，三佳機(jī)械已成功交付80余種不同流道形狀的金屬雙極板。 材質(zhì)主要為鈦合金等，材質(zhì)長(zhǎng)度為0.075-0.1mm。 最大可達(dá)0.45，物料流道深度達(dá)到0.5±0.01，流道周期1.0/1.1/1.25/1.4/1.6/1.8/2.0mm，流道間均勻度≤±0.01 mm，流道高度均勻度≤±0.，雙極板翹曲<2mm。

三佳機(jī)械目前擁有廠房面積7000平方米，擁有高精度注塑、激光點(diǎn)焊、超聲波清洗、氣密性檢測(cè)等雙極板生產(chǎn)設(shè)備，年產(chǎn)雙極板200萬(wàn)片； 高精度高速加工中心、線(xiàn)切割、電火花、磨床等磨料加工設(shè)備，年產(chǎn)雙極板磨具50臺(tái)套； 還擁有五軸加工中心、臥式加工中心、立式加工中心、鉆、銑、攻絲中心等機(jī)械加工設(shè)備，用于電堆殼體、端板、集電板等零部件的加工。

博源新能源

博源新能源，全稱(chēng)“博源（廣東）”，母公司是軸承行業(yè)龍頭企業(yè)浙江金地精密。 依托母公司深厚的精密制造背景，博源新能源成立僅一年時(shí)間，就能夠?yàn)榭蛻?hù)提供多元化的燃料電池極板解決方案（包括設(shè)計(jì)和匹配）。 其推出的金屬雙極板可以滿(mǎn)足10萬(wàn)次以上的高功率堆疊要求。

博源新能源金屬雙極板采用的涂層為非貴金屬涂層，可有效降低生產(chǎn)成本； 該產(chǎn)品還具有接觸內(nèi)阻低、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)DOE要求的水平，耐用性可達(dá)-。

目前公司已組裝金屬雙極板批量生產(chǎn)線(xiàn)，一期產(chǎn)能為每年60萬(wàn)至100萬(wàn)對(duì)（后續(xù)產(chǎn)能將逐步增加，預(yù)計(jì)達(dá)到600萬(wàn)對(duì)） 2023-2024年年產(chǎn)量），擁有高精度注塑、激光點(diǎn)焊、表面涂裝、注塑密封、氣密性檢測(cè)等雙極板生產(chǎn)設(shè)備。

廣州宏豐

廣州宏豐成立于1996年，專(zhuān)注于石墨相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。 2003年，公司開(kāi)始進(jìn)軍燃料電池雙極板領(lǐng)域，見(jiàn)證了中國(guó)氫燃料電池行業(yè)的發(fā)展壯大。 2004年，北京宏豐團(tuán)隊(duì)參與國(guó)家863項(xiàng)目“超越三號(hào)”石墨雙極板的研制和生產(chǎn)； 2008年冬奧會(huì)和2010年世博會(huì)上，北京宏豐是國(guó)家氫燃料電池示范車(chē)唯一的石墨雙極板供應(yīng)商。

2021年，北京宏豐石墨雙極板出貨量將達(dá)到200萬(wàn)片，環(huán)比下降100%，其中海外業(yè)務(wù)占比80%，國(guó)外業(yè)務(wù)占比20%，產(chǎn)值達(dá)到1.2萬(wàn)元。 北京宏豐是國(guó)外最大的燃料電池極板制造商之一，年產(chǎn)能400萬(wàn)片，累計(jì)出貨量500萬(wàn)片。

神舟碳業(yè)

山東神舟碳素是國(guó)內(nèi)首家安裝石墨雙極板用于燃料電池電堆實(shí)車(chē)測(cè)試的國(guó)外制造商。 早在2001年就參與復(fù)旦大學(xué)“863”項(xiàng)目燃料電池石墨雙極板指定供應(yīng)商，是國(guó)外石墨雙極板龍頭企業(yè)。 作為專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)石墨雙極板的企業(yè)，神州炭素不僅是國(guó)外第一家研發(fā)生產(chǎn)燃料電池雙極板的企業(yè)，而且在生物質(zhì)能源逐漸成為燃料電池的大背景下，為燃料電池國(guó)產(chǎn)化做出了重要貢獻(xiàn)。趨勢(shì)。

山東神舟炭素制品有限公司于1998年開(kāi)始研發(fā)和生產(chǎn)氫燃料電池石墨雙極板，是國(guó)內(nèi)第一家開(kāi)始研發(fā)和生產(chǎn)氫燃料電池石墨雙極板的企業(yè)。 經(jīng)過(guò)20多年的經(jīng)驗(yàn)積累和沉淀，中炭生產(chǎn)的石墨雙極板具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、耐腐蝕性強(qiáng)、阻氣性能穩(wěn)定持久、長(zhǎng)度超薄、加工性能好等特點(diǎn)。

參考文章：燃料電池電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)